石英晶体谐振器分析和设计基础

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1、王骥：石英晶体谐振器基础Fundamentals of Analysis and Design of Quartz Crystal ResonatorsVersion 2.0宁波大学压电器件实验室 王骥 http:/ 2005-2009石英晶体谐振器分析和设计基础王骥：石英晶体谐振器基础提纲n石英晶体谐振器及其应用n石英晶体及其性质n谐振器构造与工作原理n谐振器的设计理论基础n谐振器的有限元分析n参考文献王骥：石英晶体谐振器基础提纲王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍石英晶体谐振器王骥：石英晶体谐振器基础谐振器应用实例3压电声波 谐振器王骥：石英晶体谐振器基础3 8生物与 化学传感器王骥

2、：石英晶体谐振器基础石英晶体在消费电子中的应用Consumer Products 消費電子產品IT Products 資訊產品Telecom Products 通信產品Network Products 網路產品王骥：石英晶体谐振器基础Nokia 3310 GSM手机 中所用到的压电器件 Nokia 3310 GSM Handset Has the following Piezoelectric Components (照片由林真诚博士提供)手机中所用到的压电器件王骥：石英晶体谐振器基础压电谐振器起源介绍1880年Pierre和Jacques Curie弟兄发 现了压电效应。当在绝缘固体上施加压

3、 力时，电介质固体的表面间能够产生电 压，同时也可能产生很小的电流。一些 特定的晶体能够显示压电效应，例如： 石英晶体、罗谢尔盐和陶瓷材料。当将 电压施加在一个具有压电特性的固体的 表面时，在该固体也可以产生机械变形 。王骥：石英晶体谐振器基础常见石英晶体谐振器的形状圆形矩形音叉石英晶体谐振器介绍王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体在电子学上的应用军用和航天应用工业应用民用通讯 导航 敌我识别系统 雷达 传感器 制导系统 引信 电子战 声纳浮标 研究和工艺 原子钟 仪器空间跟踪 天体导航通讯 电视通讯 轻便式、分区式、手提式 无线电设备和电话 航空与航海 导航 仪器 计算机 数字系统 阴极射线显示

4、器 软盘 调制解调器 天文学和大地测量标签/标志 公用事业 传感器手表和钟 无线电话 家用电话 无线电设备和高频设备 彩电 便携电视系统 家用计算机 VCR和电视摄象机 业余无线电台 玩具和游戏机 起搏器 其他医用设备 自动化 引擎控制，收音机，钟 Trip 计算机，GPS王骥：石英晶体谐振器基础提纲王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体石英晶体王骥：石英晶体谐振器基础王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体及其性质石英晶体谐振器是一个用作频率标准的 电子元件，它也可以使频率稳定并实现 频率的选择和检测。石英晶体谐振器广 泛地应用在各类电子系统、设备和仪器 中如无线电话、微波通信、广播、电视 、卫星和远距离

5、通信、电子表和各类数 字化仪器等等。它也能用来作为温度、 压力和重力等类型的传感器的核心部件 。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体及其性质石英晶体和它的重要特性有:n压电材料n高度各向异性 n高的品质因数n容易加工n供应充足(砂子)n良好器件特性(如频温关系等)王骥：石英晶体谐振器基础n石英晶体的压电性能来源于变形在一些界 面上产生的异性极化电荷。n压电声波谐振器作为频率控制器件利用了 逆压电效应，即晶体材料会在交变电流的 产生变形，激发晶体板的振动，实现稳定 的频率源的目的。n压电材料的压电效应在传感器技术中有重 要应用。石英晶体及其性质王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体品质因数品质因数Q是很重

6、要的材料特性和器件工 作性能指标。我们这样来定义这一定义适用于任何器件和材料，对晶体 谐振器而言它是几个最重要的指标之一。王骥：石英晶体谐振器基础n一般来说，谐振器的品质因数Q主要是由 其结构来决定的，但石英晶体材料的品质 因素也会有影响，必须在制造过程中考虑 。n石英晶体材料的Q值的红外吸收光谱法是 基于5MHz标准谐振器的品质因素与红外 吸收光谱的对应关系。n红外光谱值a反映了材料的纯净程度。石英晶体及其性质王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体材料的红外光谱检测结果与品质因 素的关系是 106 / Q = 0.114 + 7.47 a -0.45a2 用于谐振器生产的石英晶体材料包括石英晶体及

7、其性质等级IEC等级红外光谱值材料品质因素特级A0.0333.0X106优秀B0.0452.2X106电子级C0.0601.8X106王骥：石英晶体谐振器基础关于石英晶体材料的主要标准包括 IEC 60758 (2008): Synthetic quartz crystal Specifications and guidelines for use ECA EIA-477-A (1990): Cultured Quartz (Inclusion of 477-1-A) GB 11113 (1989):人造石英晶体中杂质的分析方 法 GB 11114 (1989):人造石英晶体位错X射线形貌 检

8、测方法石英晶体及其性质王骥：石英晶体谐振器基础1. 双晶 (Twins) 是指两个以上的同种晶体，按一 定规律相互连生在一起，典型的形式有电双晶( 同旋向晶体的连生，道芬双晶)和光双晶(异旋向 晶体的连生，巴西双晶)。双晶多出现在天然石英晶体中，但在石英晶片的 加工中也会诱发产生双晶。当石英晶片加热温度 超过573，或虽不超过573，但石英晶片内 部温度梯度太大，都可能产生电双晶。在晶片研 磨时，由于机械应力的作用，也可能产生微小的 电双晶。石英晶体的常见缺陷王骥：石英晶体谐振器基础2. 包裹体 (Inclusions) 是混杂在晶体内部 的其它矿物质。包裹体是石英晶体的一 种主要缺陷，它对石

9、英谐振器的电气性 能影响极大。包裹体密度大小是一个材 料分级的重要指标，反映了材料的纯度 ，对谐振器性能有较大的影响。 3. 蓝针 (Blue needles)：在石英晶体中呈 蓝色针状的缺陷称为蓝针。石英晶体的常见缺陷王骥：石英晶体谐振器基础4. 裂隙 (Etch channels)：指存在晶 体内部的小裂隙, 通常按照单位面积 的数量来测量,是石英晶体质量分级 的重要指标. 5. 棉 (Filaments)：晶体内部集中出 现的许多微小气泡和小裂缝，呈现 白色如棉花状，这种缺陷俗称为棉 。石英晶体的常见缺陷王骥：石英晶体谐振器基础n自从在1920 年石英晶体被选择作为石英振荡器的材料后，许

10、多研究者一 直都在寻找一种比石英还好的材料。许多材料看起来很有希望，如块磷铝 矿、焦硼酸锂和磷化镓，但是都无法与石英相比。n硅酸锰锑铁矿(La3Ga5SiO14 , LGS)，LGN (La3Ga5.5Nb0.5O14)，LGT (La3Ga5.5Ta0.5O14)等统称LGX族，看起来有很大的希望。LGT 谐振器的 Q 值与频率的乘积是石英晶体的两倍。这些材料可能改进特性的如下： 1. 相对于石英，声衰减更低（比AT 切或ST 切石英的Q 值高）。 2. 没有相变（熔点大约为1400，石英的相移温度573）。 3. 机电耦合性能高于石英。这可以得到更高的泛音；在高泛音下可能降低 滞后；使VC

11、XO的可调能力更强；在滤波器应用中，得到宽带宽，低阻抗 和高频工作能力。 4. 相同频率下比石英厚。这使其同一加速度下，变形小，因此可能降低加 速度灵敏度。 5. 改善温度补偿。石英晶体及其性质王骥：石英晶体谐振器基础王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍天然石英yzx王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍人造石英zyx王骥：石英晶体谐振器基础提纲王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍石英晶体谐振器利用压电效应来提供 稳定的参考频率。它的频率源于交流 电压驱动的带有电极的石英晶体结构 的机械振动。它是应用最广泛的频率 控制产品之一，你能够在常见的通讯 装置(如电话、手机和收音机等)

12、和家 用电器中都能找到它们。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍一个石英晶体谐振器能够利用不同的 机械振动模式(如弯曲、拉伸和厚度剪 切等)和它们的高次谐波(泛音)作为它 们的独特的振动频率。通常我们所选 择的振动模式是由频率范围、频率稳 定性、谐振器尺寸大小、品质因数和 其他的因素来决定的。王骥：石英晶体谐振器基础王骥：石英晶体谐振器基础由于石英晶体谐振器的性能是由晶体 板的高频振动来决定的，在石英晶体 谐振器的设计中考虑的主要参数包括n几何尺寸(厚度、长、宽、尺寸变化/ 倒边)n电极材料与尺寸n安装形式与尺寸石英晶体谐振器介绍王骥：石英晶体谐振器基础影响石英晶体谐振器的其它因素石英晶

13、体谐振器介绍n石英晶片表面n电极加工方式与质量n封装形式n泛音次数n表面抛光n材料的杂质和缺陷n安装应力n焊接应力n温度n电极几何形状和类型n片子的几何形状（外形、尺寸比 ）n激励电平n外壳中的气体（压力、气体种类 ）n干扰模n离子辐射王骥：石英晶体谐振器基础谐振器频率与时间的决定因素主要因素次要因素 切角泛音 晶片尺寸（外形、尺寸比）材料杂质和应变 安装和焊接应力（大小和方向） 电极（尺寸、形状、厚度、密度、应力） 激励电平 干扰模 负载电抗（大小和温度系数） 温度和时间的关系 电离辐射王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍一般来说，我们需要用一个谐振器结构的物理模 型来分析石英晶体谐振

14、器的振动。如果不区别特 定的振动模式，典型的谐振器用如下一个简单的 模型表示。晶体电极驱动电压王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍在石英晶体谐振器的诸多特性中，一 些特性直接关系到石英晶体谐振器的 设计，而这些特性一直是我们用各种 理论、方法和工具进行分析的对象。 进行准确、全面和可靠的分析是这方 面研究的目标，因为这将使晶体谐振 器的设计过程更加具有灵活性和成熟 。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍我们想要通过一个理想化的分析和设计过 程来考虑石英晶体谐振器的下述特性： 频率温度特性虽然谐振器结构的振动送频率是稳定的 ，但是它会因温度的变化而产生轻微的 改变。也就是说，石英晶体

15、谐振器有这 样的特性：频率随着温度的变化而变化 。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍谐振和抗负载性 在确定的条件下，石英晶体谐振器的电 气特性应对应于谐振频率。对于晶体谐 振器作为电子器件来说，这是基本的也 是重要的特性。 静态和动态电容 在电路中，在谐振频率驱动时电压为直 流和交流时的电容。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍电感 在电路中，这是一个很重要的谐振电路参数。 激励电平效应 如果驱动电平高，谐振器很容易振荡，但频率 的稳定性会被破坏。如果驱动电平过高，晶体 谐振器的表面还可能被破坏。如果驱动电平过 低，频率瞬间的反应将要变弱或者谐振器不能 够起振，因此驱动电平和频率

16、的稳定性在加工 和设计中是一个重要的指标。王骥：石英晶体谐振器基础常见问题 寄生模态(Spurious modes)：一般指工作 模态以外的所有振动模态。 活性下降(Activity dip): 表现为电阻或频 率突然发生变化, 一般会很快恢复原来的 工作状态。通常认为是由于振动跳跃到寄 生模态造成的。石英晶体谐振器介绍王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍石英晶体优异的频率温度关系虽然能 够提供稳定的频率输出，但这仅仅局 限于特定的晶体方向。通常我们称这 些特殊的方向为不同的切型，意味着 可以通过晶体轴的旋转获得这些方向 和以一种特别的方式来切割晶体。我 们熟悉的切型有AT，SC和ST等。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍图示一个典型的旋转Y切XYZOqfX 王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍通过前面的图形，我们获得了用于器件制 造的旋转切割和双旋转切割。下面是典型 切型的旋转角。 AT-切 q = 35.25o SC-切q = 33.93o , f = 21.93o 对于谐振器应用而